JP3377860B2 - 半導体ウエハの研磨制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば、バッチ研磨
方式のシリコンウエハポリッシャに好適な半導体ウエハ
の研磨制御装置にかかるものであり、特に、高平坦度研
磨を可能にする半導体ウエハの研磨制御装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウエハの表面を鏡面研磨す
る装置としては、図６に示すように構成されたシリコン
ウエハポリッシャと称される研磨装置が用いられてい
る。この図に示してある研磨装置は標準的な構造のもの
である。

【０００３】加圧軸１には調心軸受け２が設けてあり、
この調心軸受け２には加圧ヘッド３が加圧軸１に対して
首振自在にかつ加圧軸１と共に回転自在に取り付けられ
ている。

【０００４】この加圧ヘッド３の下方には、図７に示し
たような被研磨材としてのシリコンウエハ５を複数枚
（図では４枚）同時に装着可能なブロック４が装着され
ている。この加圧ヘッド３に対向する側には、その上面
に研磨パッド６が張り付けられた定盤９が設けられてい
る。

【０００５】したがって、シリコンウエハ５の研磨を行
う場合には、シリコンウエハ５を装着した状態でブロッ
ク４を定盤９に加圧し、加圧ヘッド３を回転させながら
シリコンウエハ５を研磨パッド６に摺動させる。

【０００６】この研磨過程では、加圧力によるシリコン
ウエハ５と研磨パッド６上に供給される研磨材液１７と
の摩擦や化学反応により発生する研磨熱によって定盤９
の平面度やシリコンウエハ５の温度が変化し、高平坦度
でシリコンウエハ５の研磨を行うことが困難であるとい
う問題がある。

【０００７】この温度の変化を抑制するために、研磨装
置には図にも示してあるような冷却機構が設けられてい
る。一般的な冷却機構では、定盤９に水冷ジャケット１
０を取り付け、一定温度の冷却水を供給系統１４を介し
て水冷部１１に供給し、この冷却部１１内の冷却水を排
水系統１５を介して排出する構造が採用されている。ま
た、定盤９と水冷ジャケット１０は、回転軸１６により
回転するときの鉛直方向の振れ発生を防止するため、架
台１３上に取り付けたスラスト軸受け１２などに搭載さ
れている。さらに、加圧軸１からの加圧力により定盤９
の平面が変形することを防止するため、および定盤９を
均一に冷却するために、冷却ジャケット１０には図８に
示すようなリブ１８が設けられ、定盤９と水冷ジャケッ
ト１０とをボルト孔１９を介してボルトで組み付ける構
造としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、定盤９
の変形を防止するためのリブ構造を有する従来の研磨装
置であっても、未だ次のような問題を有している。

【０００９】すなわち、冷却水の温度は、シリコンウエ
ハ５の適正な研磨面品質と研磨生産性とを得るための温
度条件である約４０℃になるまで研磨熱で昇温されるめ
に、定盤９の表面温度は研磨開始から研磨終了まで上昇
し、この温度上昇に伴なって定盤９は熱変形することに
なる。

【００１０】図９は、定盤９が熱膨張によって一般に下
面側に熱変形することを誇張して示したものであり、図
１０は、熱変形にともないシリコンウエハ５がブロック
４の中心側に傾斜して研磨された状態を示したものであ
る。一般に、シリコンウエハ５が傾斜して研磨されるこ
とを防ぐためには、予め図１１に示すような変形量曲線
から定盤９の各点における熱変形を予想して、定盤９を
室温状態ではこの変形曲線を基準レベルに対して線対称
な凹面形状になるように加工しておき、昇温状態でブロ
ック４に定盤９の平面状態がマッチングするように昇温
時における研磨面の温度管理をすることで対応してい
る。

【００１１】ところが、この定盤９の直径は１〜１．５
ｍと非常に大きいことから定盤９をねらいとする凹面形
状に仕上げるためには、多くの加工時間を要し、熟練し
た加工操作も必要なことから、定盤９の加工作業がきわ
めて繁雑になるという問題がある。また、このような加
工によって理想的な形状のものができたとしても、研磨
装置は図１２に示すようにその使用時には一定温度の冷
却水のもとで研磨と休止とが繰り返されるのであるか
ら、定盤９はこの研磨と休止に伴なって変位を繰り返す
ことになり、結局は高平坦度の加工には限界を来すこと
になる。

【００１２】さらに、スラスト軸受け１２には水冷ジャ
ケット１０が当接しており、この水冷ジャケット１０を
定盤９に組み付けているボルト等の緩みや伸びなどによ
って定盤９の凹面形状が経年変化することがある。この
ため定盤９の凹面形状の管理と維持のためには、凹面形
状を測定したり、修理加工したりするための時間が必要
で研磨装置の休止時間が長くなり、ウエハ研磨の作業効
率が低下してしまうという問題がある。

【００１３】また、前記マッチングに適した定盤９の研
磨面の温度は、研磨パッド９の性状（表面状態等）が研
磨バッチ回数順に変化することや、研磨バッチ間の時間
がばらつくことなどのために、２℃〜５℃程度変化す
る。所期の研磨温度が変化すると研磨温度および定盤９
の熱変形状態が大きく変化するために、温度管理のため
の研磨材液１７の温度や供給量の調整の他に研磨時間の
調整などが必要となる。このような数多くの操業条件の
変化は、ウエハの研磨形状を悪化させる要因となって、
研磨量の不均一や傾斜の発生をもたらす。

【００１４】以上のような従来の研磨装置の不具合を解
消するために、ウエハ加圧ヘッド部での均等加圧を狙い
としてブロック上に中空体を配置する方法を提案する特
開昭６３−５２９６７号公報に開示されている技術があ
るが、実際にはこの研磨ヘッドのみの対策ではウエハ平
坦度を完全にとることは非常に困難である。さらに、実
開昭６０−５６４６０号公報に開示されている技術は、
研磨時の温度が一定となるように冷却水の温度を調整
し、研磨定盤の平坦度の確保ができるようにしている。
また、特開平２−２７７２１号公報に開示されている技
術は、研磨加工中の研磨面の状態を無接触でモニタして
ウエハの研磨精度を向上させている。しかしながら、こ
のような技術では、高精度の平坦度加工が理論的に困難
であったり、経済的な面で困難であったりするという新
たな問題が生じる。

【００１５】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、比較的簡単かつ経済的に、定盤
の熱変形を極力抑えることができ、非常に高精度のシリ
コンウエハの研磨を行わせることが可能な半導体ウエハ
の研磨制御装置の提供を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、被研磨材を保持するブロックと、当該ブロ
ックの前記被研磨材を保持した側に配置される定盤と、
前記ブロックを前記定盤に対して加圧する加圧機構と、
前記ブロックと前記定盤とを相対的に摺動させる摺動駆
動機構と、前記定盤を冷却する冷却機構とを備えた研磨
装置に使用される半導体ウエハの研磨制御装置であっ
て、当該研磨装置の動作を総括的に制御する研磨装置制
御手段と、当該研磨制御装置が前記被研磨材を研磨させ
る制御を行っている場合には、前記ブロックと前記定盤
との相対的な摺動運動によって生じる当該定盤の熱変形
が補正できるように、前記冷却機構には当該制御を行な
っていない場合に供給される冷却水の温度よりも高い温
度の冷却水を供給する冷却水供給手段とを有することを
特徴とするものである。

【００１７】この冷却水供給手段は、前記研磨制御装置
が前記被研磨材を研磨させる制御を行っている場合に
は、前記ブロックと前記定盤との相対的な摺動運動によ
って生じる当該定盤の熱変形が補正できるように、前記
冷却機構には当該制御を行なっていない場合に供給され
る冷却水の温度よりも高い温度の冷却水を供給するよう
にしている。

【００１８】

【００１９】また、この冷却水供給手段は、前記冷却機
構に冷却水を供給する経路中に当該冷却水の加熱を行う
加熱手段と、前記研磨制御装置が前記被研磨材を研磨さ
せる制御を行っている場合には当該加熱手段を作動させ
る一方、当該制御を行っていない場合には当該加熱手段
を不作動とさせる加熱制御手段とを含んでいる。

【００２０】

【００２１】そして、この加熱制御手段は、前記定盤の
変形量に応じて前記加熱手段の発熱量を制御するもので
ある。

【００２２】

【作用】研磨装置制御手段によって研磨装置の動作が総
括的に制御されているが、この研磨装置制御手段が被研
磨材を研磨させる制御を行っている場合には、冷却機構
にはたとえばこの研磨させる制御を行っていない場合に
供給される冷却水の温度よりも高い温度の冷却水が供給
される。このために、研磨時に生じる定盤の変形を抑制
することができるようになり、高精度の平坦面研磨加工
が可能となる。

【００２３】

【００２４】この温度の異なる冷却水の供給は、それぞ
れ異なる温度の冷却水が予め蓄えられている経路を研磨
中と休止中とで選択的に切り替えることで行っても良
い。

【００２５】また、冷却水供給手段は、冷却機構に冷却
水を供給する経路中に当該冷却水の加熱を行う加熱手段
と、この加熱手段の発熱量を制御する加熱制御手段とで
構成しても良く、このような構成とした場合の前記加熱
手段は、研磨制御装置が被研磨材を研磨させる制御を行
っている場合には加熱手段を作動させる一方、当該制御
を行っていない場合には加熱手段を不作動とさせるよう
な制御を行う。

【００２６】

【００２７】また、この加熱制御手段により加熱手段を
定盤の変形量に応じた発熱量となるように制御すれば、
さらに高精度の平坦面研磨が行われるようになる。

【００２８】

【実施例】次に、本発明に係る半導体ウエハの研磨制御
装置を図面に基づいて詳細に説明する。

【００２９】図１は、本発明に係る半導体ウエハの研磨
制御装置の概略構成を示したものである。図においてブ
ロックで描かれている研磨装置３０は、従来から通常用
いられているものであって、たとえば前述した図６から
図８に記載されているものと同様の構成を有しているも
のである。研磨制御装置３５は、この研磨装置３０の動
作を制御するものであり、研磨制御手段として機能する
ものである。冷却水温制御装置４０は、研磨装置３０に
備えられている冷却機構、具体的には図６に示した水冷
ジャケット１０に供給する冷却水の温度を制御する機能
を有しているものであり、冷却水供給手段として機能す
るものである。また、この冷却水温制御装置４０によっ
て温度制御された冷却水はポンプ４６またはポンプ４７
によって水冷ジャケット１０に供給されるようになって
いる。

【００３０】冷却水温制御装置４０は、研磨制御装置３
５から出力される研磨信号および休止信号に基づいて異
なる温度の冷却水を作り出す機能を有しているものであ
る。この冷却水温制御装置４０は、図２に示すフローチ
ャートのように動作する。冷却水温制御装置４０は、研
磨装置３０がシリコンウエハの研磨を行っている場合に
研磨制御装置３５から出力される研磨信号を入力し（Ｓ
１）、この研磨信号が入力されている場合には冷却水温
をたとえば２５℃程度に上昇させて（Ｓ２）、ポンプ４
６により水冷ジャケット１０に供給する。このように温
度が上昇された冷却水を供給することによって、研磨中
の発熱に伴って定盤９が図９のように変形するのを抑制
することができるようになる。これは、水温の高い冷却
水を水冷ジャケット１０に供給するようにすれば、水冷
ジャケット１０の熱膨張によって定盤９を凹形状にする
ことができ、研磨熱によって凸形状に変形しようとする
定盤９の熱変形を相殺することができるようになるから
である。

【００３１】一方、冷却水温制御装置４０は、研磨装置
３０がシリコンウエハの研磨を行っていない場合には研
磨制御装置３５から出力されている休止信号を入力し
（Ｓ１）、この休止信号が入力されている場合には冷却
水温を２０℃程度に下げて（Ｓ４）、ポンプ４６により
水冷ジャケット１０に供給する（Ｓ３）。これによっ
て、研磨終了後に急冷される定盤９の研磨面側とこの水
冷ジャケット１０側との温度差を小さくすることができ
る。

【００３２】上記のような動作をする冷却水温制御装置
４０は、同一冷却経路によって供給される冷却水の温度
を研磨信号が入力されている場合と休止信号が入力され
ている場合とで異なる温度の冷却水を作り出す機能をそ
の内部に有している。具体的には、冷却水タンクからポ
ンプ４６に至る経路中に、この経路を流れる冷却水の温
度をある程度の温度幅をもって調整することができる温
調装置を備えている。以上のような制御を行うことによ
って、定盤９の変位量を図４に示したようにある程度抑
えることができるようになる。この変位量は、従来のよ
うに冷却水温を一定にしている場合の定盤９の変位量を
示した図１２に比較するれば減少していることが一目瞭
然である。

【００３３】なお、上記の例では、冷却水の温度を研磨
が行われているときには２５℃程度に、また、研磨が行
われていないときには２０℃程度に温調する場合を例示
したが、この温度は、定盤９の材質やシリコンウエハの
研磨状況に応じて、その熱変形による悪影響が最小限に
なるように設定すればよく、特にこの温度に限定される
ものではない。

【００３４】たとえば、図３に示してあるように、冷却
水の温度に応じて定盤９の平坦度が基準レベルに対して
図示のように直線的に変化するので、この変化が研磨時
に基準レベルと一致するような冷却水温を選定すれば、
高平坦度の研磨が可能となる。また、上記の実施例で
は、内ズリの場合を例示したが、外ズリの場合には内ズ
リの場合とは逆の変形を考慮しなくてはならないので、
この場合には、研磨時には水温の低い冷却水を供給し、
休止時には暖めた冷却水を供給する。

【００３５】この内ズリとは、定盤９の熱変形が図９に
示したように変化する場合に、図１０に示したようなテ
ーパー状の研磨状態となってしまうことを称するが、こ
の内ズリは、定盤９の材質と水冷ジャケット１０を構成
する材質との熱膨張率の相違がもとで発生する。したが
って、両材質の熱膨張率が内ズリが生じる場合とは反対
の場合には図１０に示すものとは逆に外側が削られすぎ
てしまう外ズリが発生する。この外ズリが生じた場合に
は、凹状の反りを戻す必要があるから研磨時に水温の低
い冷却水を供給するのである。

【００３６】また、上記の実施例では研磨信号が入力さ
れている場合と休止信号が入力されている場合とで同一
経路内を流出する冷却水の温度を調整するものを例示し
たが、これとは異なる本実施例の場合には、図１に示す
ように、異なる温度の冷却水のそれぞれの専用の経路を
冷却水温制御装置４０の内部および冷却水温制御装置４
０から研磨装置３０の水冷ジャケット１０に至るまでの
間に設け、それぞれの経路には専用のポンプ４６，ポン
プ４７を配置する。そして、冷却水温制御装置４０に
は、冷却水タンクからポンプ４６に至る経路中に、この
経路を流れる冷却水の温度をたとえば２０℃程度の温度
に調整することができる温調装置と、冷却水タンクから
ポンプ４７に至る経路中に、この経路を流れる冷却水の
温度をたとえば２５℃程度の温度に調整することができ
る温調装置とを設け、研磨信号が入力されている場合と
休止信号が入力されている場合とでポンプ４７またはポ
ンプ４６を選択的に切り替える機能を備わせている。

【００３７】この実施例に係る冷却水温制御装置４０
は、図５に示すフローチャートのように動作する。

【００３８】冷却水温制御装置４０は、研磨装置３０が
シリコンウエハの研磨を行っている場合に研磨制御装置
３５から出力される研磨信号を入力し（Ｓ１１）、この
研磨信号が入力されている場合には、たとえば２５℃の
冷却水を供給するポンプ４７を選択的に動作させ（Ｓ１
２）、２５℃程度に加温されている冷却水を水冷ジャケ
ット１０に供給する（Ｓ１３）。このように温度が上昇
された冷却水を供給することによって、研磨中の発熱に
伴って定盤９が図９のように変形するのを抑制すること
ができるようになる。これは、水温の高い冷却水を水冷
ジャケット１０に供給するようにすれば、水冷ジャケッ
ト１０の熱膨張によって定盤９を凹形状にすることがで
き、研磨熱によって凸形状に変形しようとする定盤９の
熱変形を相殺することができるようになるからである。

【００３９】一方、冷却水温制御装置４０は、研磨装置
３０がシリコンウエハの研磨を行っていない場合には、
たとえば２０℃の冷却水を供給するポンプ４６をポンプ
４７から切り替えて動作させ（Ｓ１４）、２０℃程度の
水温の冷却水を水冷ジャケット１０に供給する（Ｓ１
３）。これによって、研磨終了後に急冷される定盤９の
研磨面側とこの水冷ジャケット１０側との温度差を小さ
くすることができる。

【００４０】また、上記の実施例でも、内ズリの場合を
例示したが、外ズリの場合には内ズリの場合とは逆の変
形を考慮しなくてはならないので、この場合には、研磨
時には水温の低い冷却水を供給し、休止時には暖めた冷
却水を供給するようにする。つまり、ポンプ４６とポン
プ４７との動作タイミングを研磨時と休止時とで逆にす
れば良い。

【００４１】さらに、次の実施例は、上記の２つの実施
例とは異なって、研磨時における定盤９の変形量に応じ
て冷却水温を任意の温度に変化させることができるよう
にしたものである。

【００４２】この実施例においては、第１の実施例の場
合と同様の構成を採る。冷却水温制御装置４０は、研磨
装置３０に備えられている冷却機構、具体的には図６に
示した水冷ジャケット１０に供給する冷却水の温度を制
御する機能を有しているものであり、冷却水供給手段と
して機能するものである。また、この冷却水温制御装置
４０には、ポンプ４６によって供給する冷却水を加熱す
る加熱手段と、この加熱手段の発熱量を定盤９の変形量
に応じて制御する加熱制御手段とを備えている。したが
って、本実施例の場合の冷却水温制御装置４０は、冷却
水供給手段であると同時に加熱手段および加熱制御手段
として機能するようになる。

【００４３】加熱手段として好適なものとしては、電気
式のヒータが例示できる。定盤９の変位量は、例えばこ
れを無接触で認識することが可能なモニタ装置を用いて
認識するようにすれば良い。

【００４４】このような構成とした場合には、冷却水温
制御装置４０は、モニタ装置から入力される信号に基づ
いて定盤９の変位量を検出し、この変位量が基準レベル
に是正されるように加熱手段であるヒータへの通電量を
制御し、水冷ジャケット１０に供給する冷却水の温度を
調整している。この変位量と供給すべき冷却水温との関
係は、図３に示したような定盤９の平坦度と冷却水温と
の関係に基づいて決定する。例えば、外ズリの場合であ
って、定盤９の変位量が−１０μｍである場合には、冷
却水を２５℃程度に加熱して供給する。もちろんこの冷
却水の温度は研磨の開始から終了までの間に時々刻々変
化する定盤９の変位量に追従して制御されるようになっ
ている。したがって、研磨中と休止中とで単に一定の温
度の冷却水に切替える上記の実施例に比較すれば、本実
施例のものは非常に緻密な制御を行うことができ、結果
として高平坦度のウエハ研磨を行うことができるように
なる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１乃至請求
項３に記載した本発明によれば、次のような効果を得る
ことができるようになる。

【００４６】（１）研磨中は休止中に供給する冷却水よ
りも高い温度の冷却水を供給するようにしたので、研磨
中に生じる定盤の変位量を最小限に抑えることができる
ようになる。

【００４７】（２）研磨中の定盤の変位量に基づいて適
温の冷却水を供給するようにしたので、刻々と変化する
定盤の変位をリアルタイムで是正することができるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる半導体ウエハの研磨制御装置
の概略構成を示すブロック図である。

【図２】 第１の実施例に係る動作フローチャートであ
る。

【図３】 定盤の平坦度と冷却水温との関係を示す図で
ある。

【図４】 第１の実施例における研磨休止過程での定盤
の変位の状態を模式的に表した図である。

【図５】 第２の実施例に係る動作フローチャートであ
る。

【図６】 従来の研磨装置の概略構成を示す図である。

【図７】 ブロック上に装着されたシリコンウエハの配
置状態を示す図である。

【図８】 図６に示した水冷ジャケットを示す平面図で
ある。

【図９】 従来の研磨装置による研磨過程において熱変
形状態を誇張して示す要部断面図である。

【図１０】 研磨によって内ズリ状態となったシリコン
ウエハのの断面を示す図である。

【図１１】 従来の研磨装置における定盤の各部の変形
量を示す図である。

【図１２】 従来の研磨装置における研磨休止過程での
定盤の変位の状態を模式的に表した図である。

【符号の説明】

１…加圧軸、 ３…加圧ヘッド、 ４…ブロック、 ５…シリコンウエハ、 ６…研磨パッド、 ９…定盤、 １０…水冷ジャケット、 １１…水冷部、 １２…スラスト軸受け、 １３…架台、 １６…回転軸、 ３０…研磨装置、 ３５…研磨制御装置、 ４０…冷却水温制御装置、 ４６，４７…ポンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−13631（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−99350（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−201868（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 37/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨材を保持するブロックと、当該ブ
   ロックの前記被研磨材を保持した側に配置される定盤
   と、前記ブロックを前記定盤に対して加圧する加圧機構
   と、前記ブロックと前記定盤とを相対的に摺動させる摺
   動駆動機構と、前記定盤を冷却する冷却機構とを備えた
   研磨装置に使用される半導体ウエハの研磨制御装置であ
   って、 当該研磨装置の動作を総括的に制御する研磨装置制御手
   段と、 当該研磨制御装置が前記被研磨材を研磨させる制御を行
   っている場合には、前記ブロックと前記定盤との相対的
   な摺動運動によって生じる当該定盤の熱変形が補正でき
   るように、前記冷却機構には当該制御を行なっていない
   場合に供給される冷却水の温度よりも高い温度の冷却水
   を供給する冷却水供給手段とを有することを特徴とする
   半導体ウエハの研磨制御装置。
2. 【請求項２】 前記冷却水供給手段は、前記冷却機構に
   冷却水を供給する経路中に当該冷却水の加熱を行う加熱
   手段と、前記研磨制御装置が前記被研磨材を研磨させる
   制御を行っている場合には当該加熱手段を作動させる一
   方、当該制御を行っていない場合には当該加熱手段を不
   作動とさせる加熱制御手段とを含むことを特徴とする請
   求項１に記載の半導体ウエハの研磨制御装置。
3. 【請求項３】 前記加熱制御手段は、前記定盤の変形量
   に応じて前記加熱手段の発熱量を制御することを特徴と
   する請求項２に記載の半導体ウエハの研磨制御装置。